北半球不同干旱梯度地区植被结构对陆地-大气干旱的差异性响应

《Global and Planetary Change》：Divergent response of vegetation structure to land-atmosphere droughts across aridity gradients in the Northern Hemisphere

土壤湿度和蒸汽压亏缺对北方半球植被叶面积指数的影响及其时空异质性。通过八种机器学习模型分析1982-2020年数据，发现土壤湿度贡献随干旱指数升高（从0.63±0.09到0.24±0.09），而蒸汽压亏缺贡献降低（0.37±0.09到0.76±0.09）。考虑时间滞后和积累效应后，土壤湿度主导作用增强，但蒸汽压亏缺在非干旱区显著减弱。

　　

马冰鑫|李龙辉|张月|窦月月|余琳

中国南京师范大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室

摘要

陆地干旱和大气干旱都可能导致植被结构的变化，但它们各自的相对贡献仍不明确。本研究使用了八种机器学习算法，分析了1982年至2020年间土壤湿度（SM）和蒸气压亏缺（VPD）对北半球叶面积指数（LAI）的相对影响。结果表明，土壤湿度对LAI的相对贡献随干旱指数（AI）的增加而降低（从干旱地区的0.63 ± 0.09降至湿润地区的0.24 ± 0.09）。然而，蒸气压亏缺对LAI的相对贡献随AI的增加而增加（从干旱地区的0.37 ± 0.09升至湿润地区的0.76 ± 0.09）。当考虑时间滞后（TL）和时间累积（TA）的联合效应时，土壤湿度对LAI的相对贡献进一步增强，但在北半球除干旱地区（AI < 0.2）外，蒸气压亏缺的相对贡献显著减弱。在当前土壤湿度持续下降、蒸气压亏缺持续增加的背景下，了解陆地干旱和大气干旱对植被结构变化的相互作用有助于更准确地预测植被对未来气候变化的响应。

引言

自工业化以来，全球变暖导致蒸气压亏缺（VPD）普遍增加（Yuan等人，2019年），土壤湿度（SM）下降（Seo等人，2025年）。由于陆地-大气之间的强烈耦合（Zhang等人，2022年），陆地干旱（SM下降）和大气干旱（VPD增加）常常同时发生，这对植被生长（Yuan等人，2019年）和死亡率（Choat等人，2018年）产生了严重的负面影响。

土壤湿度或蒸气压亏缺对植被生长的影响不仅可以在瞬时（当前月份）尺度上评估，也可以在累积（数月）时间尺度上评估，这意味着时间滞后（TL）和时间累积（TA）效应可能单独或共同对植被施加水分压力（Li等人，2025年；Yuan等人，2024年）。植被还会采取各种策略来应对水资源短缺，维持其生长和生存（Christian等人，2024年），包括减少气孔开度、利用更深的地下水资源以及通过积累渗透调节物质来增强抗旱能力（Werner等人，2021年；Zia等人，2021年）。所有这些适应策略使得理解植被对陆地干旱和大气干旱的响应变得更加复杂。

近年来，土壤湿度和蒸气压亏缺数据集的丰富为大规模研究陆地-大气干旱和植被生长提供了机会。多项全球范围的研究表明，蒸气压亏缺的增加是植被生长下降的主要因素（Li等人，2023a；Yuan等人，2019年）。在区域尺度上，蒸气压亏缺的增加与广泛的森林死亡（Hicke等人，2013年）和作物产量显著下降（Hsiao等人，2019年）有关。一些研究表明，蒸气压亏缺的短期增加会立即导致气孔导度下降，从而抑制植被的光合作用（Grossiord等人，2020年）。长期蒸气压亏缺的增加会导致植被生产力持续下降，极端大气干旱条件会在脆弱生态系统中引发植被死亡（Hartmann等人，2018年；Novick等人，2024年；Yao等人，2023年）。此外，最近的研究表明，在温暖湿润的环境中，植被对蒸气压亏缺的响应时间较长，而在干旱和寒冷地区，时间滞后通常较短（Gao等人，2024年）。相比之下，土壤湿度被认为是植被生长的主导因素（Green等人，2019年；Kannenberg等人，2024年；Liu等人，2020b）。土壤湿度的短期下降会促使气孔迅速关闭，并增加植物根冠比，因为植物会调整资源分配以增强水分吸收（Farooq等人，2009年）。从长期来看，持续的土壤湿度不足会导致生态系统植被组成的变化，逐渐有利于更能适应长期水分压力的耐旱物种（Farooq等人，2009年；Sankaran等人，2019年）。例如，澳大利亚植被对土壤湿度变化的响应时间滞后超过一个月（Chen等人，2014年）。许多研究表明，稳定的生态系统通常能够克服短期的陆地-大气干旱事件，并在干旱压力后恢复（Schwalm等人，2017年）。相比之下，脆弱的生态系统可能会因同等程度的短期大气和土壤干旱而面临严重甚至致命的后果，这突显了它们有限的恢复力和适应能力（Schwalm等人，2017年；Smith等人，2024年）。

尽管已有大量研究探讨了土壤湿度和蒸气压亏缺对植被生长的影响，但关于土壤湿度或蒸气压亏缺哪个对植被生长起主导作用仍存在争议（Cheng等人，2022年；Kopecky等人，2024年；Tu等人，2024年），这主要是由于土壤湿度和蒸气压亏缺之间的强耦合关系以及它们对植被影响的长期性。为了解决这一长期存在的争议，本研究系统分析了1982年至2020年夏季北半球植被对土壤湿度和蒸气压亏缺变化的响应，考虑了它们的时间累积和滞后效应。本研究的目标是量化陆地干旱和大气干旱对植被生长的相对贡献。

数据片段

叶面积指数数据

叶面积指数（LAI）数据来源于PKU GIMMS LAI4g（Cao等人，2023年）。该数据集基于PKU GIMMS NDVI（Li等人，2023b），参考了约360万个高质量的Landsat LAI样本，并补充了MODIS LAI数据。通过使用特定生物群的反向传播神经网络模型并整合多个解释变量，生成了1982年至2020年的长期LAI数据集。

北半球土壤湿度和蒸气压亏缺的变化

图1显示了1982年至2020年夏季北半球土壤湿度和蒸气压亏缺的趋势及其相关性。夏季期间以及整个夏季，陆地干旱和大气干旱都不断加剧。具体而言，土壤湿度每年下降0.5 × 10^?3 m³/m³（p < 0.05）（图1m）。在半干旱和半湿润地区，土壤湿度下降趋势分别为每年0.58 × 10^?3 m³/m³和0.53 × 10^?3 m³/m³（图1o）。

陆地-大气干旱的变化与耦合

尽管全球大部分地区呈现绿化趋势（Piao等人，2020年），但一些研究表明某些地区的绿化速度较慢甚至出现植被褐化现象（Kong等人，2017年）。植被褐化现象主要归因于极端气候事件的加剧，特别是陆地-大气干旱的加剧（Li等人，2023a；Liu等人，2023年；Pe?uelas等人，2017年；Seo等人，2025年；Yuan等人，2019年）。

结论

本研究系统地分析了陆地-大气干旱的演变，并定量评估了1982年至2020年夏季北半球植被结构变化的相对贡献。结果表明，土壤湿度显著下降，而蒸气压亏缺显著增加，导致复合干旱事件的风险持续增加。基于机器学习模型的定量归因分析显示，蒸气压亏缺的影响更为显著。

CRediT作者贡献声明

马冰鑫：撰写——初稿、可视化、方法论、研究设计、资金获取、正式分析、数据管理。李龙辉：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、研究设计。张月：软件开发、方法论。窦月月：数据管理。余琳：可视化。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42471516）和江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX24_1819）的支持。